THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE ĐUA TỰ ĐỘNG MCR

QT6.2/KHCN1-BM17 TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH HỘI ĐỒNG KHOA HỌC ISO 9001 : 2008 BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ MƠ HÌNH XE ĐUA TỰ ĐỘNG MCR Chủ nhiệm đề tài: ĐẶNG HỮU PHÚC Chức danh: Đơn vị: Giảng viên Khoa Kỹ thuật Công nghệ Trà Vinh, ngày 20 tháng năm 2017 TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH HỘI ĐỒNG KHOA HỌC ISO 9001 : 2008 BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE ĐUA TỰ ĐỘNG MCR Xác nhận quan chủ quản Chủ nhiệm đề tài (Ký, đóng dấu, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) Đặng Hữu Phúc Trà Vinh, ngày 25 tháng năm 2017 TÓM TẮT Đua xe MCR ( Micom Car Rally) thi đua xe mơ hình dò đường tự động ganh đua với tốc độ, khởi xướng Nhật công ty Renesas tài trợ Ngày nay, thi trở nên phổ biến nhiều trường Đại học, Cao đẳng toàn giới tính hấp dẫn Cuộc thi sân chơi kỹ thuật mang tính học thuật cao, chi phí thấp Khi tham gia thi, người chơi tự thiết kế lập trình cho xe MCR chạy tự động đường đua ban tổ chức làm sẳn, đội có xe đích với thời gian ngắn đội chiến thắng Đề tài tập trung nghiên cứu thi đua xe dò line tự động MCR, gồm luật thi đấu, cách thức tổ chức thi, chế tạo mô hình mẫu xe MCR: gồm có động cơ, cảm biến dò đường, mạch điều khiển, giải thuật lập trình điều khiển xe MCR Hướng tới tổ chức thi đua xe MCR trường Đại học Trà Vinh tương lai Bên cạnh đó, đề tài giới thiệu phần mềm lập trình cơng cụ hỗ trợ lập trình cho vi điều khiển phần mềm Flowcode ABSTRACT The Micon Car Rally is classified as line trace type robot competitions in which fully self-propelled Micon Cars controlled by microcontrollers compete in driving speed It is first initiated in Japan by Renesas’s finance Nowadays, this contest has become popular in many colleges and universities around the world because of its attractiveness Besides, it is also the "technique playing field" that represents creativity, scholarly and cheap components for students When participating in the competition, the teams player will design and program the MCR automatically run on the line track that is arranged by the organizers and including some rules, the team which have the shortest finish time will be the winner In this project, we focus on the "MCR competition", including: the rules, how to organize the contest, and design a model of MCR with motors, line tracking sensors, controller and MCR programming algorithm Looking forward to hosting the MCR competition at Tra Vinh University in the future Furthermore, we would like to introduce the Flowcode software that is a new software and method apply for microcontroller programming MỤC LỤC PHẦN 1: MỞ ĐẦU 10 Tính cấp thiết đề tài 10 Tổng quan nghiên cứu 10 2.1 Tình hình nghiên cứu nước 10 2.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 12 Mục tiêu 14 Đối tượng, phạm vi phương pháp nghiên cứu 14 4.1 Đối tượng, địa điểm thời gian nghiên cứu 14 4.2 4.3 Quy mô nghiên cứu 14 Phương pháp nghiên cứu 14 PHẦN 2: NỘI DUNG 15 Chương 1: TỔ CHỨC CUỘC THI ĐUA XE MCR 15 1.1 Tổ chức thi MCR 15 1.2 Luật thi đấu – Sân thi đấu 15 Chương 2: THIẾT KẾ XE MCR 22 2.1 Sơ đồ khối xe MCR 22 2.2 Khung xe 23 2.3 Các mạch điện 23 2.3.1 Mạch vi điều khiển 23 2.3.2 Cảm biến dò đường 24 2.3.4 Mạch điều khiển động 26 Chương 3: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN XE MCR 27 3.1 Giải thuật lập trình 27 3.2 Phần mềm lập trình Flowcode 32 PHẦN 3: KẾT LUẬN 36 Kết đề tài thảo luận 36 Kiến nghị 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 DANH MỤC BẢNG BIỂU Tên bảng Số trang Bảng 1: Giá trị tham chiếu cảm biến 26 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Tên hình ảnh Số trang Hình 1: Mơ hình xe MCR Kit hãng Renesas tài trợ Hình 2: Thi đua xe MCR tổ chức trường đại học SPKT TP Hồ Chí Minh Hình 3: Thi đua xe MCR tổ chức trường đại học Bách Khoa Hồ Chí Minh Hình 4: Thi đua xe MCR tổ chức Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng TP Hồ Chí Minh 11 11 12 12 Hình 5: Thi đua xe MCR tổ chức trường Nhật 13 Hình 6: Trao giải đua xe MCR vơ địch Châu Âu 2017 14 Hình 7: Thi đua xe MCR trường ĐH SPKT Tp.HCM 15 Hình 8: Cấu trúc tồn đường đua 20 Hình 9: Bề rộng bề dày đường đua 20 Hình 10: Chi tiết đường đua thẳng 20 Hình 11: Chi tiết khúc cua trái 90o 21 Hình 12: Chi tiết khúc chuyển đường ( chuyển bên phải) 21 Hình 13: Vị trí xuất phát 21 Hình 14: Sơ đồ khối xe MCR 22 Hình 15: Khung xe mica 23 Hình 16: Mạch điều khiển 24 Hình 17: Ngun lý cảm biến dò đường 25 Hình 18 a-b: Sơ đồ mạch nguyên lý cảm biến dò đường 25-26 Hình 19 : Sơ đồ mạch H-Drive 26 Hình 20: Sơ đồ giải thuật 27 Hình 21: Sensor bắt nửa line bên trái 27 Hình 22: Chạy qua đoạn chuyển trái 28 Hình 23: Sensor bắt line bên phải 28 Hình 24: Chạy qua đoạn chuyển trái 28 Hình 25: Sensor bắt nguyên line 29 Hình 26: Chạy xong đoạn đường cua 90o 29 Hình 27: Sensor báo hiệu vị trí line 30 Hình 28: Sensor báo hiệu lệch nhỏ phía bên trái so với vị trí trung tâm 30 Hình 29: Sensor báo hiệu lệch nhiều phía bên trái 31 Hình 30: Các bước xử lý đoạn đường 900 31 Hình 31: Các bước xử lý đoạn đường chuyển phải 32 Hình 32: Giao diện phần mềm Flowcode V5.0 33 Hình 33: Thanh cơng cụ Icons 34 Hình 34: Thanh cơng cụ Components 34 Hình 35: Thanh cơng cụ Components 34 Hình 36: Giao diện Chip Vi điều khiển tham khảo 34 Hình 37: Giao diện mơ 35 Hình 38: Xe MCR chế tạo 36 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TỪ VIẾT TẮT NGUYÊN NGHĨA MCR Micom Rally Car EDLC Electric Double Layer Capacitors LỜI CẢM ƠN Xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban Giám Hiệu, Lãnh đạo Phòng – Ban, Khoa Kỹ thuật Công nghệ tạo điều kiện thuận lợi, giúp đở thực thành công nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn tất bạn bè, đồng nghiệp, người thân hỗ trợ, giúp đở thực đề tài PHẦN 1: MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài MCR ( Micom Rally Car) thi đua xe mơ hình tự động giành cho học sinh, sinh viên trường trung học, cao đẳng đại học, tổ chức phổ biến Nhật Bản Trong vài năm trở lại đây, MCR trở nên phổ biến bạn học sinh - sinh viên khu vực miền Nam Bên cạnh đua kịch tính, MCR đem lại cho hội để học tập làm quen với việc lập trình hệ thống tự động nhỏ Đây thi định kỳ năm nhằm tạo sân chơi thú vị, hấp dẫn dành cho bạn trẻ đam mê lĩnh vực điều khiển tự động lập trình hệ thống nhúng, góp phần thúc đẩy phong trào nghiên cứu lĩnh vực tự động hóa kết nối tinh thần giao lưu, trao đổi học tập học sinh sinh viên trường với Đại học Trà Vinh trường có số lượng sinh viên theo học ngành kỹ thuật công nghệ lớn, nhiên lại thiếu “sân chơi” kỹ thuật cho sinh viên Đề tài với mong muốn tạo sân chơi kỹ thuật mang tính học thuật cao, chi phí thấp hấp dẫn cho sinh viên trường Đại học Trà Vinh tương lai gần, sân chơi có tên : “đua xe MCR” Tổng quan nghiên cứu 2.1 Tình hình nghiên cứu nước Đua xe MCR hãng Renesas giới thiệu tổ chức lần Việt Nam vào năm 2006 ( trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên, Tp Hồ Chí Minh) Đến nay, nhiều trường đại học cao đẳng Tp Hồ Chí Minh tổ chức thi thi thông lệ hàng năm cho nội sinh viên thuộc trường tổ chức thi đấu sinh viên trường với Cuộc thi MCR thi đua xe chạy tự động tranh đua tốc độ đường đua ban tổ chức quy định Trong xe đua học sinh, sinh viên tự thiết kế phải đảm bảo số quy định ban tổ chức như: Kích thước tối đa cho bề rộng xe 300mm, bề cao 150mm, chiều dài, trọng lượng, chất liệu xe tùy ý Ngồi ban tổ chức cung cấp ( cho mượn ) xe để học sinh - sinh viên tự lập trình tham gia thi vòng sơ tuyển 10 Hình 1: Mơ hình xe MCR Kit hãng Renesas tài trợ Hình 2: Thi đua xe MCR tổ chức trường đại học SPKT TP Hồ Chí Minh 11  Modul cảm biến dò line: Sử dụng nguyên lý phản xả ánh xáng, truyền tín hiệu vị trí xe cho vi điều khiển  Khối nguồn Pin: Sử dụng nguồn điện DC 5V ( cung cấp cho vi điều khiển, cảm biến) 12V ( cung cấp cho động cơ) 2.2 Khung xe Khung xe làm vật liệu mica nhựa dẻo kích thước tối đa cho bề rộng xe 300 mm, bề cao 150 mm, chiều dài, trọng lượng, chất liệu xe tùy ý nên khung xe phải thiết kế cho đảm bảo quy định này, ngồi xe khơng thể dài nặng làm ảnh hưởng đến tốc độ khả lái xe vào cua Hình 15: Khung xe mica 2.3 Các mạch điện 2.3.1 Mạch vi điều khiển Mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển PIC 16F887, loại vi điều khiển thông dụng Việt Nam 23 R1 10k RESET U6 C2 22pf 12MHZ C3 22pf J4 2 14 13 33 34 35 36 37 38 39 40 RE3/MCLR/VPP RC0/T1OSO/T1CKI RC1/T1OSI/CCP2 RA0/AN0/ULPWU/C12IN0RC2/P1A/CCP1 RA1/AN1/C12IN1RC3/SCK/SCL RA2/AN2/VREF-/CVREF/C2IN+ RC4/SDI/SDA RA3/AN3/VREF+/C1IN+ RC5/SDO RA4/T0CKI/C1OUT RC6/TX/CK RA5/AN4/SS/C2OUT RC7/RX/DT RA6/OSC2/CLKOUT RA7/OSC1/CLKIN RD0 RD1 RB0/AN12/INT RD2 RB1/AN10/C12IN3RD3 RB2/AN8 RD4 RB3/AN9/PGM/C12IN2RD5/P1B RB4/AN11 RD6/P1C RB5/AN13/T1G RD7/P1D RB6/ICSPCLK RB7/ICSPDAT RE0/AN5 RE1/AN6 RE2/AN7 15 16 17 18 23 24 25 26 PWM1 PWM2 DIR1 DIR2 SERVO 19 20 21 22 27 28 29 30 L1 L2 L3 L4 L5 H_DRIVER RCSERVO SENSOR LINE 10 PIC16F887 ISP Hình 16: Mạch điều khiển 2.3.2 Cảm biến dò đường Vì đường đua có đặc điểm line màu trắng màu đen nên cảm biến dò đường thiết kế dựa nguyên lý phản xạ ánh sáng 24 Phát vật cản LED PHÁT LED THU Bề mặt màu tối (đen) Bề mặt màu sáng (trắng ) Không phát vật cản LED PHÁT LED THU Bề mặt màu sáng (trắng ) Bề mặt màu tối (đen) Hình 17: Nguyên lý cảm biến dò đường Bộ cảm biến dò line xe thiết kế dựa sở phản chiếu ánh sáng, nguồn sáng phát từ Led phát phản chiếu Led thu kết nối với Op-amp để so sánh mức điện áp, phát line, điện áp ngõ cảm biến mức 1, ngược lại mức Vi điều khiển đọc giá trị điện áp để xác định vị trí xe đường đua điều khiển xe chạy hướng Hình 18 (a) 25 Hình 18 (b) Hình 18 : Sơ đồ mạch nguyên lý cảm biến dò đường 2.3.4 Mạch điều khiển động Xe MCR chạy nhờ vào dẫn động bánh xe sau điều khiển mạch cầu H IC L298 sử dụng nhờ vào kích thước nhỏ gọn, dễ dàng tích hợp lên xe MCR kết nối động DC công suất nhỏ U5:A DIR1 U4:A 7404 PWM1 U4:B 7408 U5:B DIR2 VCC VS 7408 U2:A 15 7404 10 12 11 IN1 IN2 IN3 IN4 ENA ENB SENSA SENSB U7 OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 D1 D2 D3 D4 1N4148 1N4148 1N4148 1N4148 3 13 14 MORTOR DC GND PWM2 L298 7408 U2:B 7408 Hình 19 : Sơ đồ mạch H-Drive 26 D5 D6 D7 D8 1N4148 1N4148 1N4148 1N4148 Chương 3: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN XE MCR 3.1 Giải thuật lập trình Hình 20: Sơ đồ giải thuật  Bước chuyển (I  II): thấy nửa line bên trái Hình 21: Sensor bắt nửa line bên trái  Bước chuyển (II  I): qua đoạn đường chuyển trái 27 Hình 22: Chạy qua đoạn chuyển trái  Bước chuyển (I  III): thấy nửa line bên phải Hình 23: Sensor bắt line bên phải  Bước chuyển (III  I): chạy qua đoạn chuyển phải Hình 24: Chạy qua đoạn chuyển trái  Bước chuyển (I  IV), bước chuyển (II  IV), bước chuyển (III  IV): thấy line 28 Hình 25: Sensor bắt nguyên line  Bước chuyển (IV  I): chạy xong đoạn đường cua 900 Hình 26: Chạy xong đoạn đường cua 90o  Giải thuật xử lý qua đoạn đường thẳng cong Các trạng thái sensor gặp thể tương đối độ lệch hướng xe với phương đường đua, ta dựa vào trạng thái sensor để biết độ lệch hướng chạy xe so với phương đường đua, ứng với trạng thái sensor ta chọn góc bẻ hợp lý cho xe có xu hướng di chuyển phía đường đua, với độ lệch hướng lớn ta chọn góc bẻ lái lớn Bảng 1: Giá trị tham chiếu cảm biến Giá trị Sensor Hex Góc quay RC Motor 00000000 0x00 100 100 00000100 0x04 7.5 100 100 STT Trạng thái Sensor 29 PWM trái PWM phải 00000110 0x06 15 80 65 00000111 0x07 22.5 50 40 00000011 0x03 30 30 20 00100000 0x20 -7.5 100 100 01100000 0x60 -15 70 80 11100000 0xe0 -22.5 40 50 11000000 0xc0 -30 20 30  Xe chạy thẳng: Trạng thái báo line trung tâm sensor trả giá trị: 0x00 Hình 27: Sensor báo hiệu vị trí line  Động trái động phải chạy với 100% tốc độ động lái vị trí 0o  Xe chạy lệch phía bên trái so với trung tâm: sensor trả giá trị: 0x04  Ở trạng thái giá trị sensor 0x04 Vị trí xe lệch phía bên trái so với trung tâm tương đối nên lúc ta chỉnh RC servo phía bên phải góc 7.50, vận tốc động DC 100% Hình 28: Sensor báo hiệu lệch nhỏ phía bên trái so với vị trí trung tâm 30  Xe chạy lệch nhiều phía bên trái so với trung tâm: sensor trả giá trị: 0x06; 0x03  Vị trí xe lệch phía bên trái so với trung tâm tương đối nhiều nên lúc ta chỉnh RC servo phía bên phải góc 150 – 300, vận tốc động trái 80% vận tốc động phải 70% Hình 29: Sensor báo hiệu lệch nhiều phía bên trái Như xe lệch nhiều phía bên trái trung tâm RC servo điều chỉnh phía bên phải với góc lớn, vận tốc động bên trái bên phải giảm dần, nhiên lệch phía bên trái nên vận tốc động bên trái lớn bên phải Hoàn toàn tương tự cho trường hợp xe bị lệch bên phải  Giải thuật xử lý qua đoạn đường vng góc 900 Hình 30: Các bước xử lý đoạn đường 900 - Vị trí [1]: phát diện line cắt ngang Báo hiệu 500mm đến 1000mm đến đoạn đường cua 900 (bên trái bên phải) Lúc xe phải giảm tốc độ để đảm bảo điều hướng thành cơng 31 - Vị trí [2]: Xe tiến đến vị trí cách từ từ, xe chạy thẳng tới trước theo đường trung tâm - Vị trí [3] mà vị trí cua 900 phát hiện, xe tiến hành quay theo hướng trái phải, bẻ lái góc 250-300 - Vị trí [4] đường trung tâm phát hiện, xe trở lại chương trình đường thẳng đường cong  Giải thuật xử lý chuyển bên phải: Hình 31: Các bước xử lý đoạn đường chuyển phải - Vị trí [1]: phát 1/2 line cắt ngang bên phải báo hiệu xe phải đổi đường bên phải sau 500mm đến 1200mm, xe phải giảm tốc độ chạy thẳng qua vị trí [2] - Vị trí [2]” vị trí xe chạy từ từ bám theo đường trung tâm - Vị trí [3]: vị trí quay phát hiện, xe quay theo hướng phải (hoặc trái chuyển bên trái), bẻ lái tối đa gốc 300 - Vị trí [4]: line trung tâm nhận diện, xe thực chạy theo chương trình thẳng đường cong 3.2 Phần mềm lập trình Flowcode Hiện có nhiều phần mềm cơng cụ hỗ trợ cho việc lập trình vi điều khiển, khuôn khổ đề tài nghiên cứu này, tác giả sử dụng phần mềm Flowcode V5.0, phiên giành riêng để lập trình cho vi điều khiển PIC Microchip Flowcode chương trình phần mềm hãng Matrix (Matrix Technology Solutions Ltd, United Kingdom), phần mềm cho phép người dùng tạo 32 chương trình từ đơn giản tới phức tạp cho vi điều khiển mà việc lập trình đơn giản kéo - thả khối chức theo dạng lưu đồ giải thuật thay phải gõ ( đánh máy dòng lệnh) phần mềm khác, điều giúp cho việc lập trình vi điều khiển trở nên dễ dàng hơn, nhanh chóng dễ tiếp cận đặc biệt cho người dùng khơng chun lập trình điều khiển dễ dàng viết chương trình điều khiển riêng cách dễ dàng Hình 32: Giao diện phần mềm Flowcode V5.0 Với phiên phần mềm được cập nhật liên tục, phần mềm Flowcode hỗ trợ lập trình cho nhiều loại vi điều khiển khác như: PIC, dsPIC, AVR, ARM; chức mô hỗ trợ giao tiếp nhiều thiết bị ngoại vi thông dụng như: LED, bàn phím, nút nhấn, ADC, PWM, LCD, Led đoạn…hỗ trợ giao tiếp I2C, CAN, Bluetooth , GPS, GSM, RF, RFID, RS232, RS485, SPI, USB, Zigbee… Ngoài với phiên V7.1 ( ) hỗ trợ mơ điều khiển hệ thống khí dạng 3D Tùy vào nhu cầu sử dụng mà người dùng mua quyền cho gói phần mềm khác  Các cơng cụ Flowchat: Có cơng cụ mà bạn sử dụng:  Thanh cơng cụ Icons: 33 Hình 33: Thanh cơng cụ Icons Kéo thả biểu tượng vào cửa sổ flowchart để tạo thành chương trình dạng flowchart Thơng thường cơng cụ nằm vị trí bên trái hình  Thanh cơng cụ Components: Hình 34: Thanh cơng cụ Components Đây công cụ hiển thị giao tiếp ngoại vi với vi điều khiển, thành phần nầy kết nối với vi điều khiển  Thanh công cụ Main toolbar ( Menu Run simulation) Hình 35: Thanh cơng cụ Components Hình 36: Giao diện Chip Vi điều khiển tham khảo 34 Hình 37: Giao diện mơ 35 PHẦN 3: KẾT LUẬN Kết đề tài thảo luận Đề tài nghiên cứu thành công vấn đề sau:  Chế tạo mô hình xe đua MCR theo quy cách đua, gồm có cảm biến dò đường, giải thuật lập trình điều khiển xe MCR  Tìm hiểu cách thức tổ chức đua xe MCR , luật thi đấu, sân thi đấu  Ngồi ra, thơng qua đề tài nghiên cứu này, tác giả giới thiệu cơng cụ lập trình cho vi điều khiển phần mềm Flowcode  Kết nghiên cứu đề tài mơ hình mẫu, tài liệu hướng dẫn đua xe MCR, hướng tới việc tổ chức sân chơi đua xe MCR tương lai Hình 38: Xe MCR chế tạo Kiến nghị Đua xe MCR sân chơi hấp dẫn giành cho học sinh, sinh viên, với chi phí thấp nhiều so với sân chơi Robocon nên tác giả kiến nghị xem xét tổ chức thi đua xe MCR nội trường đại học Trà Vinh tương lai 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Microchip Technology Inc 2009 PIC 16F887 data sheet Microchip Technology Inc: Arizona [2] Microchip Technology Inc 2009 PICDEM™ Lab Flowcode Companion Guide Microchip Technology Inc: Arizona [3] Renesas Electronics Europe GmbH 2016 Renesas MCU Car Rally Competition Regulations Version 2.0 Renesas Electronics Corporation: Japan [4] Nguyễn, Ngọc Vũ 2009 “Tìm hiểu vi điều khiển H8 Renesas ứng dụng lập trình xe MCR bám line” Đồ án tốt nghiệp, Trường đại học SPKT TP Hồ Chí Minh [5] The History of Micon Car Rally 2016 Xem [6] Renesas MCU Car Rally 2017 Xem 5.3.2017, 37 9.1.2017, ... popular in many colleges and universities around the world because of its attractiveness Besides, it is also the "technique playing field" that represents creativity, scholarly and cheap components... teams player will design and program the MCR automatically run on the line track that is arranged by the organizers and including some rules, the team which have the shortest finish time will be the... competition", including: the rules, how to organize the contest, and design a model of MCR with motors, line tracking sensors, controller and MCR programming algorithm Looking forward to hosting the